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https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/5966| Título : | Desarrollo de una canal de agua para obtención de campos de velocidades de un flujo |
| Autor : | PALACIOS MORALES, CARLOS ALBERTO SOLORIO ORDAZ, FRANCISCO JAVIER |
| Fecha de publicación : | 2017 |
| Resumen : | Se desea desarrollar un canal de agua totalmente instrumentado para elaborar prácticas de laboratorio para las asignaturas de Mecánica de Fluidos impartidas en el laboratorio de Termofluidos de la Facultad de Ingeniería de la UNAM. En particular, se desea desarrollar prácticas de visualización de flujos y la obtención del campo de velocidades del mismo a través de la técnica de velocimetría por imágenes de partículas o PIV. Para tal efecto, se construirá un canal de agua de circuito cerrado que genere un flujo a bajas velocidades, lo cual permitirá trabajar a números de Reynolds relativamente bajos (Re<1000). Se colocarán modelos geométricos dentro de la corriente con el objeto de observar estructuras de flujo tales como estelas, vórtices y perfiles de velocidad. El experimento permitirá realizar dos tipos fundamentales de prácticas. El primero consiste en colocar un sistema de inyección de tinta para realizar prácticas de visualización de flujos. El segundo consiste en implementar un sistema PIV de propósito educacional a través del sembrado de partículas trazadoras en el flujo, iluminación por un haz plano de luz láser y la obtención de imágenes con una cámara CCD. Con dicha técnica se obtendrá el campo vectorial instantáneo de velocidades del flujo en 2D con el que se podrán obtener las propiedades hidrodinámicas del flujo tales como perfiles de velocidad, líneas de corriente, campos de presión, vorticidad, rapidez de deformación, entre otros. Las prácticas podrían beneficiar a tres asignaturas impartidas en el laboratorio de Termofluidos y a las carreras de Ingeniería Mecánica, Mecatrónica, Industrial y Sistemas Biomédicos. Se darán cursos de capacitación a los profesores para la operación del equipo, se desarrollará un manual de uso del mismo y de las prácticas de laboratorio que se podrán realizar. Se espera que al menos dos estudiantes de licenciatura desarrollen su proyecto de tesis en la construcción e instrumentación del equipo de medición. |
| URI : | http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/5966 |
| metadata.dc.contributor.responsible: | PALACIOS MORALES, CARLOS ALBERTO |
| metadata.dc.coverage.temporal: | 2017-2018 |
| metadata.dcterms.educationLevel.SEP: | Licenciatura |
| metadata.dc.description.hypothesis: | El flujo de un canal de agua a bajas velocidades permitiría obtener un flujo a números de Reynolds relativamente bajos. En ciertas condiciones, cuando Re = O(100), al colocar modelos geométricos se podrá observar la generación y evolución de estructuras de flujo tales como estelas y vórtices. El sistema de inyección de tinta permitiría visualizar dichas estructuras de flujo a través de las llamadas líneas de traza. Por otro lado, el sistema de velocimetría de imágenes por partículas permitiría observar los patrones del flujo y medir el campo de velocidades del mismo. Con los últimos se podría observar detalles que a simple vista sería imposible. |
| metadata.dc.description.strategies: | El estudio de problemas de mecánica de fluidos implica frecuentemente la combinación del estudio analítico y del uso de información experimental. Por lo anterior se hace indispensable contar con dispositivos y herramientas que ayuden a visualizar y medir parámetros importantes de fluidos en movimiento, como son: campos de velocidad y de presión. El canal de agua de circuito cerrado propuesto en el presente proyecto se diseñará y construirá para estudiar el movimiento de un fluido alrededor de diferentes cuerpos geométricos a bajos números de Reynolds (100 < Re < 1000), en los que se puedan visualizar desde estructuras simples como vórtices hasta estructuras más complejas como la calle de vórtices de Von Karman.
Se tiene proyectado que el área de la sección de prueba sea de 30 cm × 70 cm aproximadamente, con una profundidad de 15 cm. Esta es lo suficientemente grande para estudiar el flujo alrededor de cuerpos geométricos básicos como son barras circulares, cuadradas, perfiles de ala, etc., y evitar el efecto de las paredes laterales. También se puede introducir a la corriente secciones de tubería con área transversal rectangular o circular. El canal contará con una sección de entrada en la que el flujo se desarrollará, garantizando que el perfil de velocidad en el área de medición sea lo más uniforme posible. Se construirá una sección de salida para desalojar el agua del canal de tal forma que no se perturbe la zona de medición. Las secciones antes mencionadas formarán parte importante en el diseño del canal de agua. Instrumentos de medición de última generación como el anemómetro laser Doppler serán utilizados para caracterizar el canal de agua una vez que este sea finalizado.
El canal será construido principalmente de acrílico cristal, que tiene una taza de transmisión de luz del 92%, y un acrílico conocido como ELiT II, que tiene como característica especial el difundir la luz de forma uniforme en ambas caras cuando este es iluminado por cualquiera de sus cantos, esta característica es muy útil cuando se realizan experimentos de visualización con inyección de tinta. El espesor de los materiales se determinará hasta establecer las dimensiones finales del canal. Este material será manufacturado utilizando una cortadora laser, garantizando una precisión de 0.05 mm en la manufactura de las piezas. Perfil de aluminio estructural será utilizado para construir la estructura en la que se instalará el canal. Este tipo de material es muy versátil, ligero y resistente a la corrosión, que permitirá realizar modificaciones futuras, de forma relativamente sencilla, para posibles expansiones y/o instalación de nuevos aditamentos o equipo. La estructura estará compuesta de tres niveles, en el nivel superior se instalará el canal de agua. En el nivel intermedio se colocará el equipo de visualización y adquisición de imágenes. En el nivel inferior se instalarán la bomba y el equipo para el control su velocidad. Se construirá una estructura de soporte a la que se fijarán el sistema de inyección de tinta y los cuerpos geométricos a estudiar, esto con el fin de evitar dañar la pared inferior del canal y generar imperfecciones que afecten la visualización y medición de los flujos.
El flujo será controlado por medio de una bomba centrifuga de bajo flujo, de 0 a 3 litros por minuto aproximadamente, que se conectará al canal de agua por medio de tubería de PVC. El diámetro de la tubería será definido una vez que se seleccione la bomba. Para regular el flujo de forma precisa se instalará en el sistema de bombeo una válvula de esfera modificada, cuya posición de apertura será monitoreada por medio de un medidor de ángulo digital; esta modificación facilitará la repetitividad de los experimentos.
Se implementará un sistema de visualización y otro de medición. El primero consistirá de un sistema de inyección de tinta conformado por una o varias agujas que inyectaran el trazador en el seno del fluido, estas se conectarán a un frasco de Mariotte para regular la velocidad de inyección de la tinta. Un sistema de iluminación led ayudará a mejorar el contraste entre el fondo del canal y el fluido trazador. El sistema de medición consistirá de un sistema de velocimetría por imágenes de partículas. Este estará conformado por una cámara de alta definición y un láser continuo, ambos serán controlados y sincronizados por una computadora personal. Debido al tiempo de desarrollo del proyecto, el análisis de las imágenes se realizará inicialmente con el software DynamicStudio de la compañía Dantec Dynamics, en futuras etapas del proyecto se pretende crear un software propio basado en librerías de Matlab. El objetivo principal es desarrollar un canal de agua de circuito cerrado que permita realizar el estudio del flujo a bajos números de Reynolds a través de una técnica de visualización y una de medición de velocidad. EL canal servirá para realizar prácticas de laboratorio de las asignaturas de Mecánica de Fluidos impartidas en la Facultad de Ingeniería de la UNAM. Entre los objetivos particulares se encuentra la implementación de una técnica de visualización a través de un sistema de inyección de tinta que permitirá observar las líneas de traza del flujo. El otro objetivo importante es implementar la técnica de velocimetría por imágenes de partículas o PIV para que los alumnos puedan obtener el campo de velocidades del flujo y obtener cantidades hidrodinámicas del mismo. Se realizará un manual del equipo que incluirá el funcionamiento del mismo y las prácticas de laboratorio que se podrán realizar. |
| metadata.dc.description.goals: | Las metas que han sido logradas durante el primer año son los puntos 1: Diseño y fabricación del canal de agua, punto 2: selección e instalación del sistema de bombeo y parcialmente el punto 3: diseño y construcción del sistema de visualización de flujos. En relación a la meta 1, el canal de agua está completamente fabricado. El canal está hecho de lámina de acero inoxidable en una sola pieza. Se envían planos y fotografías del producto final como documentos probatorios. Consta principalmente de 4 secciones. A) El tanque de admisión, que tiene como función recibir el agua proveniente del sistema de bombeo. En esta zona se pueden poner distintos dispositivos para acondicionar el flujo de agua hacia la zona de pruebas, principalmente para reducir la turbulencia en la admisión. B) Campana o contracción, su función es dirigir el agua hacia la zona de pruebas para obtener un flujo unidireccional, uniforme y laminar. C) Zona de pruebas, la cual mide aproximadamente 50 cm de largo, 20 cm ancho y una altura máxima de 25 cm. En esta zona se realizarán los experimentos de visualización de flujo y se implementará la técnica velocimetría por imágenes de partículas o PIV. D) Tanques de descarga. El flujo proveniente de la zona de pruebas se hace pasar por dos tanques circulares colocados de manera simétrica con respecto a la zona de pruebas. En estos dos tanques se realiza la descarga del flujo hacia el sistema de bombeo. Por otro lado, en relación a la meta 2, el sistema de bombeo consiste principalmente de: una bomba centrífuga marca Pedrollo con una capacidad máxima de 80 l/min, tubos PVC de 1 pulgadas de diámetro, válvulas, codos, entre otros accesorios. La bomba y todos los accesorios han sido comprados y por el momento se está instalando el sistema de tuberías. Finalmente, en relación a la meta 3, se diseñó y fabricó parte del sistema de visualización de flujos (se muestran fotos como documentos probatorios). En la zona de pruebas del canal de agua se cuenta con una ventana de vidrio a través de la cual se realizará la visualización. En la pared inferior se diseñó una ranura de vidrio por la que se hará pasar el haz de luz láser en forma de cortina del sistema para implementar la técnica de medición PIV. La cámara para tomar fotografías y videos de las visualizaciones es una cámara CCD de Thorlabs con una capacidad máxima de 60 cuadros por segundo. En resumen, el canal de agua en donde se realizarán las pruebas de visualización y velocimetría, está completamente terminado. Todos los componentes del sistema de bombeo han sido comprados. Los componentes del sistema de visualización, con excepción del láser, ya fueron adquiridos. El acceso óptico (ventana y ranura de vidrio) ya está implementado. Faltaría principalmente la implementación de la técnica PIV, la redacción de un manual de operación y la preparación del curso para profesores. |
| metadata.dc.description.selfAssessment: | El objetivo principal del proyecto que se planteó desde un inicio, ya se ha cumplido. Dicho objetivo consiste en el diseño y construcción de un canal de agua de circuito cerrado para realizar experimentos de visualización de flujo y medición de velocidad a través de la técnica PIV. En este momento se está trabajando en los objetivos y metas particulares del proyecto. Las actividades que se realizarán durante el semestre 2018-2 serán la implementación de la técnica conocido como velocimetría por imágenes de partículas o PIV. Para eso se requieren partículas trazadoras (micro esferas de vidrio), una cámara CCD (ya adquirida) y un láser continuo. Se requiere además la implementación de un software para la adquisición de imágenes y una aplicación o programa para la obtención del campo vectorial de velocidades del flujo. Paralelamente se trabajará en la redacción de un manual de operación, así como la preparación de un curso para profesores de laboratorio que usarán dichos experimentos en prácticas de laboratorio. Es importante mencionar que parte del equipo que se solicitó durante el primer año demoró en llegar a la dependencia. Por ejemplo, la cámara Thorlabs, se solicitó durante en el semestre 2017-2, pero llegó a finales del año pasado. El láser que se solicitó, tuvo muchos problemas durante el proceso de compra y ésta de plano se canceló. Esto generó retrasos y no nos permitió adelantar el trabajo de instrumentación de los diferentes equipos durante el primer año del proyecto. Si bien reconocemos que algunas metas no se cumplieron durante el tiempo estimado, pensamos que el avance del proyecto durante el primer año es adecuado, considerando que este es un proyecto totalmente experimental concebido, diseñado y desarrollado desde cero. El producto más importante, con mayor esfuerzo de elaboración y fabricación, así como el más caro (cerca de cien mil pesos) ya ha sido completado al 100%. Es importante mencionar, que el desarrollo de este proyecto beneficiará al laboratorio de termofluidos de la Facultad de Ingeniería a través de la impartición de al menos 2 prácticas de laboratorio, que se llevarán a cabo en 3 asignaturas diferentes por semestre, impartidas por al menos 10 profesores hacia alumnos de diferentes carreras: Ingeniería Mecánica, Industrial, Mecatrónica y Sistemas Biomédicos. Por todo lo anterior, los participantes del presente proyecto solicitamos una prórroga para la finalización de las metas y resultados originalmente planteados para el proyecto. Los participantes estimamos que se tendrá un avance significativo al término del semestre en curso 2018-2. |
| metadata.dc.description.goalsAchieved: | En concordancia con los objetivos del proyecto, las metas para el proyecto son: 1.Diseño y fabricación del canal de agua. 2.Selección e instalación del sistema de bombeo. 3.Diseño y construcción del sistema de visualización de flujos 4.Desarrollo e implementación del sistema de velocimetría por imágenes de partículas. Obtención de resultados preliminares 5.Comienzo de la redacción del manual de usuario del canal de agua. 6.Preparación del curso de capacitación para los profesores del laboratorio de termofluidos y personal interesado en el uso del canal de agua y los sistemas que lo componen. 7.Inicio de la elaboración de tesis por parte de los alumnos que participen en el proyecto. |
| metadata.dcterms.provenance: | Facultad de Ingeniería |
| metadata.dc.subject.DGAPA: | Ingenierías |
| metadata.dc.type: | Proyecto PAPIME |
| metadata.dc.contributor.coresponsible: | SOLORIO ORDAZ, FRANCISCO JAVIER |
| Aparece en las colecciones: | 1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías |
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